Жаңғырмалы энергия көздері

ЖОСПАР 

 КІРІСПЕ

НЕГІЗГІ БӨЛІМ

• 1. Мұхиттiң энергетикалық ресурстары.
• 1.1.Термальді энергия.
• 2. Желдiң энергиясы
• 2.1. Жел энергиясының пайдаланылуы
• 3. Күннiң энергиясы
• 3.1. Күн батареялары (фотоэлементтер).
• 3.2.Күн энергетикасының Қазақстандағы алғашқы қадамдары.

КІРІСПЕ

Бүгінгі күнде адамдардың тұрмыс тіршілігі табиаттағы басқару  арқылы, жақсартуға ұмтылу және жаңа өндірістерді дамытудың салдары айнала қоршаған ортаға экологиялық проблемалар  тудыруда. Адам баласына кейінгі кезде  энергия жетпейді. Газет, журнал беттерінде энергетикалық кризис жайлы мақалаларды  жиі кездестіреміз. Мұнай үшін кейбір мемлекеттер бір-бірімен жауласып жатса, ал кейбіреулері экологиялық  дағдарысқа, құлдырауға ұшырайды екен.

 1930 жылы бүкіл әлемде 300 млрд кВт-сағат энергия өндірілсе, ал қазір 60 000 млрд кВт-сағат энергия өндірілуде. Бұл өте үлкен көрсеткіш! Адамның энергетикалық сұранысы күннен-күнге өсуде.

 Бүгін біздің пайдаланып  отырған энергия көздері-жер асты  пайда қазба қорлары-мұнай, көмір,  табиғи газ барлық энергоқорлардың  90% құрайды. Американдық зерттеушілердің  айтуынша жер бетіндегі мұнай  2025 жылға дейін жетеді. Қашан болса  да, ол бітеді және әрі қарай  не болады?

 Пайдалы қазба қорларының  таусылу қарсаңында, олардың бағасы  да қарқындап өсуде. Жыл сайын  атмосфераға түрлі жанғыш заттардың  жануы нәтижесінде 23 млрд тоннаға  жуық көмірқышқыл газы бөлініп,  сондай мөлшерде оттек сіңіріледі. Атмосферадағы көмірқышқыл газының  мөлшері 13%-ке өсті, соның салдарынан  атмосфера температурасы бірнеше  градусқа мөлшерден тыс жоғарылап,  мұздықтар еріп, соның салдарынан  Дүниежүзінің мұхиттық деңгейі  көтеріліп, табиғатта түрлі апаттар  болып жатыр. 1980 мен 2004 жылдардың  аралығында жер бетінде 14500 табиғат  апаттары тіркеліпті, осы апаттардан  миллиондаған адамдар қаза болды.  Дереу проблеманы шешетін амал  табу керек. Бүкіл әлем ғалымдары  мен инженерлері ізденістің арқасында  баламалы энергия көзін табуды  мақсат етіп қойды. Ол сарқылмайтын  қалпына келтіретін энергия көздері  деп аталады. Оған жел, күн  энергиясы, геотермиялық энергия,  биомасса, су ағынының энергиясы,  мұхиттардағы тасу мен қайту  кезіндегі судық көтерілуінен  болатын энергиясы жатады. Қалпына  келтіретін дәстүрлі емес энергия  көздерінің ерекшелігі қор көздері  ешуақытта сарқылмайды және экологиялық  таза. Бұларды пайдалану табиғат  байланыстарын бұзбайды.

 Ал менің ұсынысып  отырған ғылыми жобамның мақсаты-  туындаған проблеманы шешудегі  энергетикалық сұранысты қанағаттандыра  алатын энергия көзі – жел,  күн, биогаз энергияларын пайдалану. 

XX ғасырдың басында Н.Е.Жуковский  жел двигателі теориясының негізін  қалады, осы теорияны негіздей  отырып әлсіз желдің ырғағынан  жұмыс істелетін жоғары өнімді  жетілдірілген желагрегаттардың  конструкциялары жасалынды, Желдоңғалағының  диематрі үлкен болған сайын  соққан желдің үлкен ағысын  қамтиды және агрегат неғұрлым  үлкен энергия өндіреді. Жел жылдамдығы 5м/с соққанда оның қалақшаларының  жылдамдығы 14-16м/с дейін жетеді. Ал  оның диаметрін үлкейте отырып 2000 кВт-қа шейін энергия алуға  болады. Мысалы 40 метрлік жел двигателі  2000 кВт энергия өндіреді.

Қазақстанның климаттық  жағдайы күн энергиясын пайдалануда  қолайлы болып табылады. Жыл сайын  күннің түсу ұзақтығы 2200-3000 сағат болса, күн энергиясының көлденең жазықтыққа түсірген қуаты 1280-1869 кВт сағ/м² екен. Ал шілде айында 1м² келетін көлденең жазықтыққа түсіретін энергия бір  күнде 6,4 тен 7,5 кВт-қа өседі. Ал энергетикалық  есептеулерге жүгінсек, Күннің Жерге  беретін энергиясы, барлық қор көздері  беретін энергиядан 5000 есе асып түседі екен. Күн энергетикасының келешегі зор, экологиялық таза, қоры ешуақытта  сарқылмайды, әрі арзан, тиімді. Күн  батареялары қатты зат кремний  материалынан жасалынады, бұл жер  қойнауындағы оттегінен кейін екінші орындағы ең көп таралған элементтердің  бірі болып табылады.

 Фотоэлектрлік станциядағы  30 жылғы 1кг кремний өндіретін  энергия, жылу электр станциясындағы 75 тонна мұнай жұмсап өндіретін  энергиямен пара-пар. Сондықтан  кремнийді 21 ғасырдың мұнайы деп  атаса да болады. Күн батареяларының  отыны тегін күн сәулесі болып  табылады. Ал ерекшеліктерін атасақ, бұл қолданылу мерзімінің ұзақтылығы (30 жыл және одан да көп), олар жөндеуді қажет етпейді, себебі оның механикалық детальдері қозғалмайды, экологиялық таза, жұмыс істеу барысында шуы да естілмейді.

 Биогаз өміріміздегі  көптеген проблемаларды шеше алады: экологиялық, энергетикалық, агрохимиялық. Мысалы далаға кететін қалдықтың қоршаған ортаға жағымсыз әсері зор-ақ. Ал биогазды алудың экономикалық бағаланулары бүгінгі күні ақталуда. Биогазды жарықтандыруға, үй жылытуға, тамақ пісіру, транспорт, электрогенератордың роторларын қозғалту мақсатында қолданады. Ғалымдардың есептеуінше 1 м2 аумақты жылыту үшін жылына 45 м3 биогаз қажет, ал су жылыту үшін күніне 5-6 м3 биогаз керек. Бір тонна шөптен қырық пайыздық ылғалдықта 100 м3 биогаз алынады. Ал 1 тонна бидайдан осы ылғалдықта 15 м3 биогаз алуға болады. Көмірсутегі қорларының таусылу кезеңінде бұл күн, жел, биогаз энергиялары– құндылығы ерекше бізге табиғаттың берген сыйы десе де болады.

• 1. Мұхиттiң энергетикалық ресурстары.

Әлемдік мұхитқа келіп  түсетін энергияның негізгі бөлігі күн сәулесінің шағылысуы нәтижесінде  болады.Мұхитқа энергия сонымен  қатар ғарыштық денелердің және ғаламшардың  су массасының гравитациялық әрекеттесуі  және ғаламшар түбінен келетін жылу нәтижесінде келеді.Әлемдік мұхит  кеңістігі барлық ғаламшардың шамамен 70% алып жатыр және шамамен 360 млн.км болады.Осы кеңістіктің көп бөлігі мұздың әсерінен әрқашан бос және күн сәулесін жақсы шағылыстырады. Мұхит суында шамамен күн сәулесінің 65% судың алғашқы бір метрінен бастап 90% он метрлік қабатпен шағылысады.

 Су энергетикасы –  энергетиканың су қорларының  қуатын пайдаланумен айналысатын  саласы. Алғашқы су энергиясы  диірмендердің, станоктардың, балғалардың,  ауа үрлегіштердің, т.б. жұмыс  машиналарының жетектерінде пайдаланылды. Гидравликалық турбина, электр  машинасы жасалып, электр энергиясын  едәуір қашықтыққа жеткізу тәсілі  табылғаннан кейін, сондай-ақ  су энергиясын су электр стансаларында  (СЭС) электр энергиясына түрлендіру  жолының жетілдірілуіне байланысты  су энергетикасы электр энергетикасының  бір бағыты ретінде дамыды. СЭС  – жылу электр стансаларына  қарағанда жылдам реттелетін, икемді  энергетикалық қондырғы. Олардың  жиілікті реттеуде, қосымша жүктемелерді  атқаруда және энергетикалық  жүйенің апаттық қорын қамтамасыз  етуде тиімділігі жоғары. Қазақстандағы  су энергетикасы құрылысы 1928 жылы  Лениногорск қаласының маңында,  Громатуха өзенінде Жоғарғы Хариуз  СЭС-і іске қосылғаннан басталды. Қазақстан өзендерінің су энергетикалық  жылдық қорлары 162,9 млрд. кВт сағ.  болып бағаланады. Соның ішінде  техникалық тұрғыдан пайдалануға  болатыны 62 млрд. кВт сағ. Оңтүстік-шығыс  Қазақстанның су энергетикасы  қорлары негізінен Қле өзені  және Балқаш көлі мен Алакөлдің  шығыс бөлігі алаптарында орналасқан. Оңтүстік Қазақстан аумағындағы  Сырдария, Талас, Шу, т.б. өзендерінің  қосынды энергетикалық потенциалы 23,2 млрд. кВт сағатқа тең. Солтүстік  және Орталық Қазақстанда су  энергетикасы қорларының негізгі  үлесі Есіл өзенінде, Торғай үстіртіндегі  өзендер тобында және Теңіз  бен Қарасор көлдері алабында  шоғырланған. Олардың үлесіне  республикадағы су энергетикалық  қордың шамамен 3 млрд. кВт сағаты  тиеді (1,7%). Батыс Қазақстан аумағындағы  Жайық, Жем (Ембі), т.б. өзендердің  су энергетикалық потенциалдары  2,8 млрд. кВт сағ. деп бағаланады. Қазіргі кезде Қазақстан СЭС-терінің  қуаты 2270 МВт-қа тең. Оларда  жылына 8,32 млрд. кВт сағ. электр  энергиясы өндіріледі.

 Ағындағы судың энергиясы көп мыңжылдықтар бойы адамзатқа қызмет етеді. Оның Жердегі қоры орасан көп. Күннен келетін энергияның біраз мөлшерін жұтатын, Әлем мұхиты аккумулятор ретінде қызмет етеді. Мұнда толлқындар, толықсумен пен қайтулар және алып мұхиттық ағындар пайда болады. Мұхиттар мен теңіздерге суын әкелетін қуатты өзендер туады. Адамзат энергия қорын іздеу жолында осындай энергия түрін шет қалдырмағандығы да түсінікті. Адамзат ең алғаш өзендер энергиясын қолдануға үйренді.

 Қазіргі кездегі гидроэлектрлік станцияларда су үлкен жылдамдықпен турбиналардығы қалақшаларына бағытталады. Судың механикалық энергиясы турбина бойымен генераторға беріледі және мұнда ол электр энергиясына айналады. Қуаты бойынша гидроэлектлік станциялар кішкентай (қуаты 0,2 Мвт-тан бастап), кішкене (2 Мвт-тан), орташа (20 Мвт-қа дейін) және үлкен (20 Мв-тан үлкен). Судың ағу жылдамдығы гидроэлектрлік станцияларды бөлудің екінші критериі.

 ГЭС-ді құруға өте  көп шығындар кетеді. Бірақ ол  шығын компенсацияланады. Қазіргі  замандағы жоғарлы инженерлі  деңгейде проектілендірілген ГЭС-тердің  қуаты 100 МВт-ты асады, ал олардың  ПӘК-і 95%-ды құрайды. 

 Турбина - энергетикалық  ең пайдалы машина, өйткені су  өзінің ілгерілмелі қозғаласан  оңай айналмалы қозғалысқа аустырады. 

 Қоршаған ортаның ластанбауы, эксплуатацияның қарапайымдылығы  және табиғаттың өзімен орнына  келетін энергия қоры гидроэлектростанциялардың  ерекшеліктері. Бірақ үлкен гидроэлектростанцияға  плотинаны құру өте күрделі  есеп болып шықты. Қуатты гидротурбиналарды  айналдыру үшін плотинаның артында  өте көп су жинау керек. Египеттік  пирамидаларды құруға жұмсалған  материал мен салыстырғанда плотнаны  құруға қажет материал орасан  көп. 

 Сондықтан ХХ ғасырда  бірнеше ғана гидроэлектростанциялар  салынды. 

 Бірақ адамзат жердің гидроэнергетикалық потенциалын аз ғана бөлігін қолдануда. Жыл сайын жаңбірден, қар еруінен теңіздерге ағатын су ағынндары қолданусыз қалады.

Мұхит энергетикасының жұмыс iстейтiн жүйелерi, сонымен бiрге  күн және желдiң жүйелерін пайдалану тәжiрибесі, олар қоршаған ортаға елеулi залал әкелмейтiнiн көрсетедi. Экологияға олардың әсерiн энергетиканың келешек жүйелерiнiң жобалауында мұқият зерттеледі.

Гидроэлектрлік станциясы.

• 1.1.Термальді энергия.

  Мұхиттiң тропикалық және субтропикалық су жиналуын, жылулық энергияға қолдану идеясы XІXғ. соңында ұсынылған. Оның жүзеге асуының бірінші амалдары біздің ғасырымыздың 30-жылдарында  болды және осы ойдың келешегі бар екенін көрсетті. 70-ші жж. Елдерде тәжiрибелi мұхит жылу электростанцияларының (МЖЭС) жобалары және құрылысы басталды, өзiменен ұсынатын күрделi iрi ғимараттар. МЖЭС мұхит жағалауында немесе мұхитта орналасуы мүмкін (зәкір жүйелерде). МЖЭС жұмысы мынандай принциптерде негізделген: бумен қолданылатын казан (котел) машинасы, толтырылғаны фреонмен немесе мұсатырмен – қайнау температурасы аз сұйықтықтармен, жылы шалағай сулармен жуылып қалады. Құрастыралған бу электр генераторға қатысты турбинаны айналдырады. Пайда болған бу төменде жатқан су қабатында суыланады, сұйықтық конденцияланады, насостармен қазанға (котел) қайта барады. Жобаланатын МЭЖС-нын есепті қуаты 250-400 МВт құрайды.

Толқын энергиясын жинағыш.

2. Желдiң энергиясы.

Жел фермасы, Иран

Жел энергиясы атмосферадағы  ауа массаларының кинетикалық энергиясын электр энергиясы, жылу немесе басқа  да энергия түрлеріне айналдыру  үшін қолданылады. Энергияның бір түрден екінші түрге өзгеруі жел генераторлары (электр тоғын алу үшін), жел диірмендері (механикалық энергия үшін) және басқа да агрегаттар көмегімен жүзеге асады.

Жел генераторларының қуаттылығы генератор қалақтарының ауданына тәуелді. Мысалы, даниялық компания Vestas шығарған қуаттылығы 3 МВт (V90) турбинаның жалпы  биіктігі 115 метр болса, мұнара биіктігі 70 метр және қалақ диаметрі 90 метрді құрайды.

Жел энергиясын өндірудің  ең тиімді жерлері ретінде жағалау  аймақтары және биік тау шыңдары  қарастырылады. Теңізде, жағадан 10-12 км қашықтықта офшорлық жел электр фермалары  салынады. Жел генераторларының мұнаралары тереңдігі 30 метрге дейін қағылған қадалы іргетастартарға қондырады.

Жел генераторлары іс жүзінде  қазбалы жанар-жағар май қолданбайды. Қуаттылығы 1 МВт жел генераторы 20 жыл бойғы қолданысымен 29 мың  тонна көмір, 92 баррель мұнай үнемдеуге  мүмкіндік береді.

• 2.1. Жел энергиясының пайдаланылуы — электр энергиясын өндіру үшін және әр түрлі механизмдерді (су сорғысы, ұн тартатын диірмен және т.б.) әрекетке келтіру үшін желдің механикалық энергиясын жел электр станциясы арқылы пайдалану. Энергияның қалпына келетін көзіне жатады. Қуаты 50—100 киловатт (мұнарасының биіктігі 15—25 м) электр станциялары едәуір сенімді және тиімді болып саналады. АҚШ, Дания, Голландия, Германия және т.б. елдерде едәуір арзан электр энергиясын өндіретін көп жел қондырғылары жұмыс істейді. Қытайда жел энергиясын пайдаланатын 120 мыңнан астам шағын жел генераторы және 1600 сорғы жұмыс істейді. Осыған ұқсас жұмыстар біздің елімізде де басталды. Қазақстанда негізінен жел көздері жеткілікті. Олар: Жетісу (Жоңғар) қақпасы, Сөгеті жазығы (Алматы облысы), Қордай (Жамбыл облысы), Бейнеу, Жетібай (Маңғыстау облысы), Атырау, Индер, Мұғалжар өңірлері, Ерейментау , Сілеті (Ақмола облысы), Балқаш, Топар (Қарағанды), Жоталы (Қызылорда облысы), Жалпақтау (Батыс Қазақстан облысы) және т.б. Форт-Шевченкода 45 күн жылдамдығы 15 м/с-тан асатын күшті жел соғады. Бүл өте мол энергия көзі. Сондықтан жел күшін тиімді пайдалану өте маңызды. Алайда энергияның экологиялық таза көзінің де кейбір проблемалары болады (теледидарға бөгет болатын ультра-дыбыстық сәуле шығарады; жануарлар әлеміне, әсіресе құстарға және т.б. теріс өсер етеді). Мысалы, Голландияда теңіз жағасында 3 километр ұзындыққа жел қондырғыларының батареясы орналастырылған. Бұл жерде биіктігі 36 метр, ұшқалақты роторының диаметрі 25 метр болатын конус тәрізді темірбетон мұнара салынған. Голландияда жыл сайын электр берілісі желісінен шамамен 40 мың ірі құс, ал көктемгі және күзгі ауу кезінде, егер электр берілісі сызығы құс қайту жолын қиып өтетін болса жылына 70 мыңға дейін (электр берілісі сызығының 1 километріне шаққаңда) құс өлетіні есептелді. Осыған ұқсас жағдай Калифорнияда да болған. Мұнда АҚШ-та жел агрегаттарымен өндірілетін барлық энергияның шамамен 90%-ын 16 мың жел қондырғылары өндіреді. Алайда, жалпы жел энергиясы бірқатар шетелде өндірілетін электр энергиясының 5-10%-ын ғана береді. Жел энергиясын одан әрі дамыту қазба отын пайдаланылатын дәстүрлі электр станциялары шығаратын ластағыш заттектер шығындыларын болдырмауға мүмкіндік береді.